- Số bản vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác
2.
3.5. Trở kháng vào anten vi dải
Sơ đồ tương đương của anten vi dải nửa sóng được vẽ ở hình 3.5.1. Trở kháng vào của anten vi dải nói trên có thể được tính từ mạch tương đương.
Hình 3.5.1. Mạch tương đương anten nửa sóng
Điện trở bức xạ của mỗi khe sẽ là hàm phụ thuộc với độ rộng W của phiến vi dải, được xác định theo công thức: 0 120 R R W λ = (3.10)
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Do phần tử vi dải được biểu thị như tập hợp của 2 khe song song nhau, nên điện trở vào sẽ bằng: 0 60 R R W λ = (3.11)
Sự tồn tại của điện kháng vào khi anten có độ dài đúng bằng λd / 2 là nguyên nhân mà ta cần giảm độ dài trên thực tế (tức là L=0.49λd) để có được cộng hưởng ở đầu vào.
Mạch phối hợp trở kháng đầu vào có thể được thực hiện bằng cách sử dụng 1 trong 2 kỹ thuật. Đối với các phần tử làm mạch độc lập, tiếp điện bằng cáp đồng trục 50Ω , có thể lựa điểm tiếp điện thích hợp bằng cách điều chỉnh khoảng cách l từ cạnh của phần tử đến điểm tiếp điện như hình 3.5.2, để đạt được điểm có trở kháng vào đúng bằng 50Ω.
Hình 3.5.2. Quan hệ trở kháng vào và chiều dài l
Lưu ý rằng trở kháng sẽ bằng 0 tại tâm phần tử. Đôi khi người ta lợi dụng điều này để đặt các đinh tán hoặc lớp mạ qua các lỗ tại tâm anten vì no ảnh hưởng không đáng kể đến giản đồ bức xạ và chỉ làm thay đổi nhỏ đến tần số cộng hưởng. Trong các hệ anten vi dải gồm nhiều phần tử (dàn anten vi dải), cấp điện bằng đường dây dải tại cạnh của các phiến kim loại thì thường
Hình 3.5.3. Trở kháng vào anten phần tư sóng
Với các phần tử anten phần tư sóng, nếu chọn độ rộng W bằng nửa bước sóng, trở kháng vào sẽ là 240Ω. Giá trị này khá cao, và tỷ số sóng đứng điện áp xảy ra khi trở khang của cáp là 50Ω được nối trực tiếp vào cạnh phần tử. Do đó phải đặt điểm tiếp điện cách xa cạnh 1 khoảng
l, khoảng này có thể tìm được nhờ đồ thị vẽ trên hình 3.5.4. Đồng thời cũng có thể dùng bộ chuyển đổi phần tư sóng để biến đổi trở kháng vào tới các giá trị mà ta mong muốn.
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Hình 3.5.4. Quan hệ trở kháng vào và chiều dài l của anten phần tư sóng 3.6. Băng thông của anten vi dải
Độ rộng băng thông của anten vi dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói cách khác, đó là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Độ rộng băng thông của một anten thường được xác định thông qua hệ số sóng đứng cho phép trên một khoảng tần số nào đó. Hầu hết các anten trong thương mại sử dụng tỉ số 2:1 hoặc 1.5:1.
Độ rộng băng tần của anten vi dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng ( t<<λ0 / 4), dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể được tính toán theo công thức kinh nghiệm sau:
2 32t Δf 4f ( ) l = (3.13) Trong đó ∆f là độ rộng băng (Mhz) f là tần số hoạt động (Ghz) t là độ dày điện môi (inch)
cực quay. Phân cực thẳng sẽ nhận được khi điểm tiếp điện được đặt vào giữa một cạnh của phiến kim loại. Hình 3.7 minh họa 2 trường hợp phân cực thẳng có hướng trực giao nhau. Phân cực quay có thể nhận được khi áp dụng các biện pháp tiếp điện thích hợp.
Hình 3.7. Phân cực anten vi dải
Theo lý thuyết, ta có thể tạo ra trường phân cực quay bằng cách tổ hợp 2 sóng phân cực thẳng vuông góc nhau, với góc lệch pha 900 giữa chúng. Đồng thời, ta co thể tạo ra 2 sòng phân cực thẳng trưc giao từ một phần tử anten vi dải hình vuông có kích thước L = W = λd / 2, với việc tiếp điện riêng rẽ vào hai điểm nằm ở trung điểm hai cạnh kề nhau của phiến kim loại hình vuông ấy. Nếu dòng điện tiếp vào 2 điểm nói trên có góc lệch pha nhau 900 thì ta sẽ nhận được trường phân cực quay. Hình 3.7 b. mô tả việc tiếp điện dùng mạch hybrid chia công suất và tạo ra góc lệch pha 900 giữa 2 nhánh. Vì điện áp của hai nhánh có biên độ bằng nhau nên phân cực quay nhận được là phân cực tròn. Khi cấp điện vào các đầu khác nhau của hybrid sẽ nhận được trường quay có hướng quay khác nhau (quay phải hoặc quay trái).
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
CHƯƠNG 4: THIẾT LẬP ANTEN BĂNG RỘNG ANTEN LOGA – CHU KỲ
4.1. Dải thông tần và dải tần công tác của anten
4.1.1. Dải thông tần
Dải thông tần là một đặc tính quan trọng của anten. Đó là một dải tần số mà trong giới hạn ấy anten có thể đảm bảo quá trình bức xạ hoặc thu phổ của tín hiệu không bị méo dạng.
Thông thường trở kháng vào của mỗi anten là một hàm số của tần số. Do đó, nếu anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng (tín hiệu xung, số, tín hiệu vô tuyến truyền hình...) thì ứng với mỗi tần số khác nhau của phổ, biên độ tương đối của dòng điện đặt vào anten (anten phát) hoặc sức điện động thu được (anten thu) sẽ biến đổi, làm thay đổi dạng phổ của tín hiệu. Khi dùng fide tiếp điện cho anten, sự biến đổi trở kháng vào của anten theo tần số sẽ dẫn đến tình trạng lệch phối hợp trở kháng và xuất hiện sóng phản xạ trong fide. Khi một tín hiệu có phổ rộng truyền qua fide thì ứng với mỗi tần số khác nhau sẽ có sự trễ pha khác nhau và gây ra méo dạng tín hiệu. Vì vậy, tốt nhất là phải đảm bảo được trong suốt dải tần số làm việc RA = const và XA = 0.
Ngoài ra vì đặc tính phương hướng của anten cũng phụ thuộc tần số, nên khi anten làm việc với tín hiệu có phổ rộng thì biên độ tương đối của cường độ trường bức xạ (hoặc thu được) đối với các tần số khác nhau của phổ cũng biến đổi và gây méo dạng tín hiệu. Thường thì ảnh hưởng của yếu tố này không lớn lắm và trong thực tế, độ rộng dải tần của anten chủ yếu được quyết định bởi đặc tính phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số.
4.1.2. Dải tần công tác
Có nhiều trường hợp chúng ta đòi hỏi anten không chỉ làm việc ở một tần số mà nó có thể làm việc ở một số tần số khác nhau. Ứng với mỗi tần số khác nhau ấy anten phải đảm bảo được những chỉ tiêu kỹ thuật nhất định về đặc tính phương hướng, trở kháng vào, dải thông tần . . . Dải tần số mà trong giới hạn đó anten làm việc với các chỉ tiêu kỹ thuật đã cho gọi là dải tần công tác của anten. Chỉ tiêu kỹ thuật này có thể khác nhau đối với từng loại anten cụ thể.
Anten dải tần tương đối rộng: 10% < ax min m f < 50% ; Anten dải tần rộng: ax min 1.5 4 1 < fm <1 f ;
Anten dải tần siêu rộng: ax
min 4 1 > m f f ;
Tỷ số của tần số cực đại và cực tiểu của dải tần công tác ax
min
m
f
f gọi là hệ số bao trùm dải
sóng.
4.2. Phương pháp mở rộng dải tần số của anten chấn tử
Đối với mọi loại anten chấn tử thì yếu tố quyết định dải tần số công tác của anten là sự phụ thuộc của trở kháng vào anten với tần số, còn đồ thị phương hướng của anten thường có hướng bức xạ ít thay đổi trong một dải tần khá rộng.
Để giảm sự phụ thuộc vào tần số của trở kháng vào chấn tử, có thể áp dụng các biện pháp sau:
- Giảm nhỏ trở kháng sóng của chấn tử, - Biến đổi từ từ thiết diện của chấn tử, - Hiệu chỉnh trở kháng vào của chấn tử, - Dùng nguyên lý kết cấu tự bù,
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Ta sẽ khảo sát phương pháp mở rộng dải tần anten theo nguyên lý tương tự, từ đó xây dựng lý thuyết anten điển hình áp dụng nguyên lý này là anten loga – chu kỳ.
4.3. Phương pháp thiết lập anten dải rộng theo nguyên lý tương tự
Nguyên lý tương tự của điện động học có thể được phát biểu như sau: Nếu biến đổi đồng thời bước sóng công tác và tất cả các kích thước của anten theo một tỷ lệ giống nhau thì các đặc tính của anten như đồ thị phương hướng, trở kháng vào ... sẽ không biến đổi. Hệ số tỷ lệ này được gọi là tỷ lệ xích của phép biến đổi tương tự.
Dựa vào nguyên lý trên có thể thiết lập các anten không phụ thuộc tần số bằng cách cấu tạo anten từ nhiều khu vực có kích thước hình học khác nhau. Kích thước hình học của các khu vực ấy tỷ lệ với nhau theo một hệ số nhất định. Khi anten làm việc với một bước sóng nào đó thì sẽ chỉ có một khu vực của anten tham gia vào quá trình bức xạ. Khu vực này gọi là miền bức xạ của anten. Khi bước sóng công tác thay đổi thì miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển đến khu vực mà tỷ lệ kích thước hình học của các phần tử bức xạ với bước sóng giống như lúc trước.
4.4. Anten lôga - chu kỳ ( log – periodic antenna)
Anten được tạo bởi tập hợp các chấn tử có kích thước và khoảng cách khác nhau và được tiếp điện từ một đường fiđe song hành chung như hình 4.4, các chấn tử nhận dòng từ fiđe theo cách tiếp điện chéo:
Hình 4.4. Kết cấu của anten loga - chu kỳ
Nếu máy phát làm việc ở tần số f0 nào đó, tần số này lại là tần số cộng hưởng của một trong các chấn tử thì trở kháng của chấn tử đó sẽ là điện trở thuần. Các chấn tử khác vẫn còn thành phần điện kháng, giá trị của điện kháng càng lớn khi độ dài của chấn tử này khác càng xa với chấn tử cộng hưởng, tức là chấn tử này càng xa chấn tử cộng hưởng. Khi đó chấn tử cộng hưởng được kích thích mạnh nhất.
Các chấn tử không cộng hưởng có dòng điện chạy qua nhỏ nên trường bức xạ của anten được quyết định chủ yếu bởi bức xạ của của chấn tử cộng hưởng và một số chấn tử lân cận đó. Những chấn tử này tạo nên miền bức xạ của anten. Dòng điện trong các chấn tử của miền bức xạ có được do tiếp nhận trực tiếp từ fiđe và hình thành do cảm ứng trường của chấn tử cộng hưởng. Các chấn tử ở phía trước chấn tử cộng hưởng có chiều dài nhỏ hơn, sẽ có trở kháng vào dung tính, dòng cảm ứng trong chấn tử này chậm pha so với dòng trong các chấn tử có độ dài lớn hơn nó. Và ngược lại, các chấn tử ở phía sau chấn tử cộng hưởng có chiều dài lớn hơn, sẽ có trở kháng vào cảm tính, dòng cảm ứng trong chấn tử này sớm pha so với dòng trong các chấn tử có độ dài ngắn hơn nó. Các chấn tử nhận dòng từ fiđe theo cách tiếp điện chéo nên 2 chấn tử kề nhau có dòng điện lệch pha nhau 1800 cộng với góc lệch pha do truyền sóng trên đoạn fiđe mắc giữa 2 chấn tử đó. Từ tất cả các yếu tố trên, ta nhận được dòng tổng hợp trong các chấn tử của miền bức xạ có góc lệch pha giảm dần theo chiều giảm kích thước anten.
Với quan hệ pha như trên, nên chấn tử đứng trước chấn tử cộng hưởng sẽ thỏa mãn điều kiện chấn tử dẫn xạ, còn chấn tử tử dứng sau sẽ thỏa mãn điều kiện của chấn tử phản xạ. Bức xạ của anten chủ yếu do chấn tử cộng hưởng quyết định và sẽ được định hướng theo trục anten, về phía các chấn tử nhỏ hơn.
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Nếu tần số máy phát giảm đi, còn là τ f0 (τ < 1) thì vai trò của chấn tử cộng hưởng sẽ được dịch chuyển sang chấn tử có độ dài lớn hơn kế đó, và ngược lại, nếu tần số tăng lên bằng
0
f
τ thì chấn tử cộng hưởng sẽ chuyển sangchấn tử ngắn hơn kế đó.
Ví dụ chấn tử l1 cộng hưởng tần số f1 , ta có l1 = λ1/2. Nếu tần số máy phát giảm xuống f′ = τ f1 thì chấn tử cộng hưởng mới có độ dài
1 2 2 ′ ′ = = =l l λ l τ (4.2) Ta thấy rằng ở các tần số fn =τn−1f1 (4.3) thì các chấn tử cộng hưởng có độ dài tương ứng là
1 1 − = n nl l τ (4.4) Trong đó: n là số thứ tự các chấn tử fn là tần số cộng hưởng của chấn tử thứ n ln là độ dài của chấn tử thứ n
Nghĩa là ứng với mỗi tần số fn, trên anten sẽ xuất hiện một miền bức xạ mà chấn tử phát xạ chính có độ dài là ln tương ứng.
Như vậy miền bức xạ của anten sẽ dịch chuyển khi tần số công tác thay đổi, nhưng hướng bức xạ cực đại vẫn giữ nguyên.
Lấy log hai vế của biểu thức (4.3) ta có
ln fn = (n -1)lnτ + lnf1 (4.5)
Ta thấy khi biểu thị tần số trên thang đo logarit thì tần số cộng hưởng của anten sẽ được lặp lại qua các khoảng giống nhau là lnτ, chính vì thế mà người ta gọi anten là anten Lôga - chu kỳ.
chấn tử ấy. Các đại lượng này lại phụ thuộc vào các thông số hình học τ và α của kết cấu anten. Với α xác định, tăng τ thì số chấn tử thuộc miền bức xạ tác dụng cũng tăng, do đó đồ thị phương hướng hẹp lại. Nhưng nếu tăng τ quá lớn thì đặc tính phương hướng lại xấu đi vì lúc đó kích thước miền bức xạ tác dụng giảm do các chấn tử quá gần nhau. Giữ nguyên τ , giảm α đến một giới hạn nhất định nào đó sẽ làm hẹp đồ thị vì khi đó khoảng cách giữa các chấn tử lại tăng và do đó tăng kích thước miền bức xạ tác dụng.
Các giá trị giới hạn của τ và α thường là τmax= 0.95; αmin = 100.
Độ rộng dải tần anten của anten được xác định bởi kích thước cực đại và cực tiểu của các chấn tử : max max min min 2 2 ≈ ≈ l l λ λ (4.6)
Thực tế, giới hạn dải tần số của anten được chọn sao cho chấn tử cộng hưởng ở bước sóng cực đại chưa phải là chấn tử dài nhất mà còn 1 hoặc 2 chấn tử dài hơn đứng sau nó; chấn tử cộng hưởng ở bước sóng cực tiểu cũng chưa phải là chấn tử ngắn nhất mà trước nó còn có một vài chấn tử ngắn hơn.
4.5. Đặc điểm kết cấu anten loga chu kỳ và phương pháp tính toán
Để đảm bảo đồ thị phương hướng của anten trong mặt phẳng thẳng đứng không biến đổi khi thay đổi tần số công tác, anten được đặt nghiêng một góc ∆ so với mặt đất, sao cho độ cao tương đối của mỗi chấn tử so với mặt đất là đại lượng không đổi:
1 2 1 2 ... = = = n n H H H λ λ λ (4.7)
SVTH : NGUYỄN HOÀI ANH GVHD : Th.S NGUYỄN DƯƠNG THẾ NHÂN
Khi đó độ cao tương ứng của miền bức xạ tác dụng – di chuyển dọc theo anten khi biến đổi tần số công tác – không thay đổi và do đó hướng bức xạ cực đại trong mặt phẳng thẳng đứng sẽ không biến đổi.
Để tính toán anten loga – chu kỳ có thể áp dụng phương pháp giải hệ phương trình Kirchhoff đối với hệ chấn tử song song. Trong anten loga – chu kỳ thì các chấn tử đều được tiếp điện bởi đường fide chung (giữa hai chấn tử là một đoạn fide song hành mắc chéo), và độ dài của các chấn tử tương đương với một mạng 4 cực, còn mỗi chấn tử tương đương với một trở kháng